简易航标灯实验系统设计【字数：10122】
摘 要我国东临太平洋，海域辽阔，有着丰富的自然资源。近几年国人在水上活动的区域也日益扩大，为了保证船舶夜间航行的安全，需要交通灯的指引，航标灯应运而生。航标灯作为航行障碍灯系列的一员，它是夜间光线昏暗时船舶安全航行的保障。在我们本科教育阶段，航标灯的设计囊括了模拟电路，PCB绘制，传感器和C语言等知识领域，同样也是引导工科生学习电子知识的”航标灯“。本项目是实现航标灯白天停止工作，晚上发出不同频率的闪烁，同时利用多种灯质闪烁起到不同信号的警示作用。本设计的主题是针对"实验系统"展开,通过Altium Designer绘制基于STM32系统的硬件模块,结合Keil编译环境完成C语言软件模块，形成一套完整简易航标灯系统设计。
目录
1. 绪论 6
1.1课题背景 6
1.2航标灯应用发展现状 7
1.2.1我国航标灯发展现状 8
1.2.2实验教学系统中航标灯的问题 8
1.3研究内容 9
2. 简易航标灯实验系统的方案分析 9
2.1 方案设计框图 9
2.2 航标灯的工作原理 10
2.3 系统方案对比与分析 11
2.3.1 LED显示模块的优点 11
2.3.2光敏电阻的特性 12
2.3.3 SMT32的优势分析 13
3. 硬件原理图绘制流程 14
3.1 功能结构框图 14
3.2 单元电路设计 15
3.2.1光照检测电路 15
3.2.2灯质设置电路 16
3.2.3 LED输出驱动电路 17
3.2.4 ISP下载电路 18
3.2.5复位电路 19
3.2.6主芯片接口电路 20
3.3 PCB绘制流程 21
3.3.1 PCB板绘制 21
3.3.2 器件清单 22
4. 软件设计 23
4.1 主程序设计 23
4.2 软件功能实现流程 24
4.2.1光照检测 25
4.2.2 拨码按键判断 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.2.3 灯质设置 28
4.2.4灯质闪烁 28
4.3 各程序模块之间关系描述 30
5. 简易航标灯实验系统成品调试 30
5.1 程序的烧写 30
5.2成品效果展示 31
6.总结与展望 34
7.参考文献 36
8.致谢 36
绪论
1.1课题背景
探究航标灯历史，最早的航标灯并不是人民所认识中的“灯”，而是在1898年的法国，一位科学家用打气筒给自行车打气时，突发奇想，设计了一个类似打气筒的圆柱体并且有浮力的物体, 他借助波涛汹涌的海浪运动，推动圆柱筒内活塞，借此压缩空气，来吹动上面的哨笛，当时人称海上航标，又称雾号,也是历史记录中第一个提出航标灯概念的发明。直到1964年，才诞生了真正意义上世界上第一盏通过水力发电的航标灯。本质同样是利用波涛汹涌的海浪运动起伏的能量，将空气收集在气室，经过压缩后注入动力室，然后借助空气的动力推动涡轮机转动发电机，以此发电。
航标灯是人们为船舶在晚上或者光线昏暗时刻安全航行的保障，它们是安装在一些航路警示浮标上的一类交通灯。当然不仅仅是水路方面，随着时代与科技的进步，高楼大厦的一座座拔地而起，按照国家的规定，顶部距离地面45米的建筑物顶楼也必须设置航标灯。为了区别航标灯与其他一般用途的照明灯区别开来，航标灯不需要时刻保持点亮的状态，它只需要在夜间或者灯光昏暗的时候发出规定的灯光颜色和闪烁频率，并且达到合格的照射角度和能见距离。[1]
根据种类来，航标灯可划分为4中，分别是固定灯标、浮标灯、灯船和灯塔四种。首先是固定灯标和灯浮标的组成形式，比较简单随意，找到一个浮标或是立杆，讲光源灯固定在它们上面即可，外形上的差异是判断它两区别的重要依据。如果光源的立足点在固定的浮标上，那就是固定等票，若是立在飘动的浮标上，则是灯浮漂。灯船一般是锚泊在海上，停留在因为人们因为自然环境因素无法建筑灯塔的地方，当代人们所使用的灯船基本上是一艘装备齐全并不大的金属船，装有无线通讯装置、雾号以及在面对恶劣天气时，时刻保持导航灯光的光束平稳发散的配置，能正常履行导航和警告作用。[2]
现在把目光聚焦于我国航标灯的历史。据史书的记载，最早的航标灯是1314年由官府在长江干流建造管辖的。19世纪40年代鸦片战争后，万恶的西方资本主义国家迫使无能懦弱的清政府签订了一个个丧权辱国的条约。其中19世纪50年代的天津条约中，便规定长江内河一带水路，英国商船可以没有约束的进行商业贸易。从此，西方资本主义列强正式夺取得了我国长江内河航行权。列强们拥有着航行权利同时控制着海关，在长江一带水路设置航标，自此正式打开掠夺中国的航道。后来在1864年镇江海关在其辖区设立7座航标，这是史书记载中近代长江最早设置的航标。
我国优越的自然地理条件决定了我国沿岸具有丰富的各类海洋能资源，也注定未来在航海领域有很大程度的发展，航标灯的研究也被提上了日程。新中国成立之后，长江航标灯的发展按光源分经历了以下发展阶段：1.上个世纪50年代的煤油灯光源→上个世纪80年代的白炽灯光源→上个世纪90年代发光二极管（LED）光源航标→2004年集成光源太阳能一体化航标灯→现今推出的太阳能一体化智能航标灯（如图11展示），无论是肉眼观察到的外观造型还是内置的多功能系统都发生了翻天覆地的变化。[3]
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图1.1 现代航标灯展示
1.2航标灯应用发展现状
探究完国内外航标灯发展的历史背景，本小节放眼于我国航标灯实际投放应用方面以及工科教育阶段基于航标灯而展开的系统教育方面的问题展开讨论，并引出本次设计的主题。
1.2.1我国航标灯发展现状
我国河道错综复杂，分支庞大，但目前在航标灯方面的投入却不尽人意，在役多为老式白炽灯光源航标灯，并且目前我国对于航标灯的监测仍然以人力为主，靠技术工作者巡查定期维护航标灯。因此在面对稍微宽阔一点的内河，基于人员的巡航一次需要几天甚至一周的时间，耗费大量人力物力。不但不能及时准确地观察航标灯能否正常运行，也不能快速得到航标灯的损坏情况反馈。监控与消息反馈的滞后，受损的航标不能得到及时的维修，将会导致严峻的水上交通安全事故，而在夜间及恶劣天气中更是船只摩擦相撞事故的高发时段。[4]
目录
1. 绪论 6
1.1课题背景 6
1.2航标灯应用发展现状 7
1.2.1我国航标灯发展现状 8
1.2.2实验教学系统中航标灯的问题 8
1.3研究内容 9
2. 简易航标灯实验系统的方案分析 9
2.1 方案设计框图 9
2.2 航标灯的工作原理 10
2.3 系统方案对比与分析 11
2.3.1 LED显示模块的优点 11
2.3.2光敏电阻的特性 12
2.3.3 SMT32的优势分析 13
3. 硬件原理图绘制流程 14
3.1 功能结构框图 14
3.2 单元电路设计 15
3.2.1光照检测电路 15
3.2.2灯质设置电路 16
3.2.3 LED输出驱动电路 17
3.2.4 ISP下载电路 18
3.2.5复位电路 19
3.2.6主芯片接口电路 20
3.3 PCB绘制流程 21
3.3.1 PCB板绘制 21
3.3.2 器件清单 22
4. 软件设计 23
4.1 主程序设计 23
4.2 软件功能实现流程 24
4.2.1光照检测 25
4.2.2 拨码按键判断 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.2.3 灯质设置 28
4.2.4灯质闪烁 28
4.3 各程序模块之间关系描述 30
5. 简易航标灯实验系统成品调试 30
5.1 程序的烧写 30
5.2成品效果展示 31
6.总结与展望 34
7.参考文献 36
8.致谢 36
绪论
1.1课题背景
探究航标灯历史，最早的航标灯并不是人民所认识中的“灯”，而是在1898年的法国，一位科学家用打气筒给自行车打气时，突发奇想，设计了一个类似打气筒的圆柱体并且有浮力的物体, 他借助波涛汹涌的海浪运动，推动圆柱筒内活塞，借此压缩空气，来吹动上面的哨笛，当时人称海上航标，又称雾号,也是历史记录中第一个提出航标灯概念的发明。直到1964年，才诞生了真正意义上世界上第一盏通过水力发电的航标灯。本质同样是利用波涛汹涌的海浪运动起伏的能量，将空气收集在气室，经过压缩后注入动力室，然后借助空气的动力推动涡轮机转动发电机，以此发电。
航标灯是人们为船舶在晚上或者光线昏暗时刻安全航行的保障，它们是安装在一些航路警示浮标上的一类交通灯。当然不仅仅是水路方面，随着时代与科技的进步，高楼大厦的一座座拔地而起，按照国家的规定，顶部距离地面45米的建筑物顶楼也必须设置航标灯。为了区别航标灯与其他一般用途的照明灯区别开来，航标灯不需要时刻保持点亮的状态，它只需要在夜间或者灯光昏暗的时候发出规定的灯光颜色和闪烁频率，并且达到合格的照射角度和能见距离。[1]
根据种类来，航标灯可划分为4中，分别是固定灯标、浮标灯、灯船和灯塔四种。首先是固定灯标和灯浮标的组成形式，比较简单随意，找到一个浮标或是立杆，讲光源灯固定在它们上面即可，外形上的差异是判断它两区别的重要依据。如果光源的立足点在固定的浮标上，那就是固定等票，若是立在飘动的浮标上，则是灯浮漂。灯船一般是锚泊在海上，停留在因为人们因为自然环境因素无法建筑灯塔的地方，当代人们所使用的灯船基本上是一艘装备齐全并不大的金属船，装有无线通讯装置、雾号以及在面对恶劣天气时，时刻保持导航灯光的光束平稳发散的配置，能正常履行导航和警告作用。[2]
现在把目光聚焦于我国航标灯的历史。据史书的记载，最早的航标灯是1314年由官府在长江干流建造管辖的。19世纪40年代鸦片战争后，万恶的西方资本主义国家迫使无能懦弱的清政府签订了一个个丧权辱国的条约。其中19世纪50年代的天津条约中，便规定长江内河一带水路，英国商船可以没有约束的进行商业贸易。从此，西方资本主义列强正式夺取得了我国长江内河航行权。列强们拥有着航行权利同时控制着海关，在长江一带水路设置航标，自此正式打开掠夺中国的航道。后来在1864年镇江海关在其辖区设立7座航标，这是史书记载中近代长江最早设置的航标。
我国优越的自然地理条件决定了我国沿岸具有丰富的各类海洋能资源，也注定未来在航海领域有很大程度的发展，航标灯的研究也被提上了日程。新中国成立之后，长江航标灯的发展按光源分经历了以下发展阶段：1.上个世纪50年代的煤油灯光源→上个世纪80年代的白炽灯光源→上个世纪90年代发光二极管（LED）光源航标→2004年集成光源太阳能一体化航标灯→现今推出的太阳能一体化智能航标灯（如图11展示），无论是肉眼观察到的外观造型还是内置的多功能系统都发生了翻天覆地的变化。[3]
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图1.1 现代航标灯展示
1.2航标灯应用发展现状
探究完国内外航标灯发展的历史背景，本小节放眼于我国航标灯实际投放应用方面以及工科教育阶段基于航标灯而展开的系统教育方面的问题展开讨论，并引出本次设计的主题。
1.2.1我国航标灯发展现状
我国河道错综复杂，分支庞大，但目前在航标灯方面的投入却不尽人意，在役多为老式白炽灯光源航标灯，并且目前我国对于航标灯的监测仍然以人力为主，靠技术工作者巡查定期维护航标灯。因此在面对稍微宽阔一点的内河，基于人员的巡航一次需要几天甚至一周的时间，耗费大量人力物力。不但不能及时准确地观察航标灯能否正常运行，也不能快速得到航标灯的损坏情况反馈。监控与消息反馈的滞后，受损的航标不能得到及时的维修，将会导致严峻的水上交通安全事故，而在夜间及恶劣天气中更是船只摩擦相撞事故的高发时段。[4]
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